[科普中国]-电子内窥镜

电子内窥镜（endoscopy）是一种可插入人体体腔和脏器内腔进行直接观察、诊断、治疗的集光、机、电等高精尖技术于一体的医用电子光学仪器。它采用尺寸极小的电子成像元件—CCD（电荷耦合器件），将所要观察的腔内物体通过微小的物镜光学系统成像到CCD上，然后通过导像纤维束将接收到的图像信号送到图像处理系统上，最后在监视器上输出处理后的图像，供医生观察和诊断。

历史背景随着白炽灯及小型照相机的开发，1865年由Kussmaul开发了可以称之为消化系内窥镜起源的硬性胃镜，为了增加直观人体内脏器官形态的研究，1881年制成了硬直管式胃镜，此后开发了软性胃镜。1903年，德国人在欧洲最早制成装有电光源的直肠镜。这种由透镜组成的内窥镜是硬性的。

1950年在日本开发了胃照相机。可以说这是第一代内窥镜。它能够观察通常人眼不能观察到的胃内情况，在这一点上是具有划时代意义的。然而，它给受检者造成的痛苦是很大的，且在诊断性能方面仍存在很多问题。

1957年Hirshowit等应用玻璃纤维技术开发了纤维镜，这是第二代的纤维内窥镜。导光纤维的出现使内窥镜可以做成软性的。导光纤维是由玻璃纤维或塑料等合成纤维做成的，利用光的多次全反射原理传导光的一种纤维材料。在七十年代初期研制出了性能比较完善、使用方便地各种显微内窥镜，包括胃、食管、十二指肠、支气管、鼻咽喉、直肠、结肠、小肠、胆道、关节、膀胱等镜型。通过显微内窥镜的光学纤维可以传导图像和传导照明用光源。通常光源是采用冷光源，不会烫伤和损伤内脏器官。由于它柔软可绕，大大减轻了病人的痛苦。由于它的直观性，能早期发现微小病变，如癌、瘤、炎症、溃疡、息肉、异物等。它可以直接刷取脱落细胞，钳取活体组织，作涂片或病理检查。另外，借助纤维内窥镜可进行一些治疗，如吸痰，高频手术、止血、钳取胃虫、引流结石、取异物、以及腔内激光治疗、冷疗等。自窥镜开发至今20 多年来。已发展到尽善尽美的程度。

1983年welch-Allyn公司和日本先后开发了电子内窥镜，即第三代内窥镜。第三代内窥镜基于固体摄像元件及大规模集成电路的广泛应用，吸收了CCD的开发、计算机、半导体技术进步及小型摄像机的普及等周围科学技术的进步。它不用光导纤维传导图像，而是在内窥镜的头部装入 CCD固体摄像头，使光学图像变成电视图像，由电线导出电视信号在电视屏上显示出来。由于不用导光纤维，电子内窥镜的总体直径和硬度大为减小。由于采用 CCD摄像技术，CCD的像素可达4 到10 万个，加上信号处理系统可观察胃小弯及十二指肠绒毛，分辨率大大提高。电子内窥镜没有目镜，图像直接送显示器，或将图像用视频打印机打印出。也可以进行录像。

用途电子内窥镜（endoscopy）是一种可插入人体体腔和脏器内腔进行直接观察、诊断、治疗的集光、机、电等高精尖技术于一体的医用电子光学仪器。它采用尺寸极小的电子成像元件—CCD（电荷耦合器件），将所要观察的腔内物体通过微小的物镜光学系统成像到CCD上，然后通过导像纤维束将接收到的图像信号送到图像处理系统上，最后在监视器上输出处理后的图像，供医生观察和诊断。

电子内窥镜同纤维内窥镜一样分为电子胃镜、电子十二指肠镜、电子结肠镜。近几年发展很快，但由于电子内窥镜价格昂贵，生产工艺不如纤维内窥镜成熟，在一定时期内，尚难普及和取代纤维内窥镜的临床应用。电子内窥镜在应用方面主要用于无损检测和孔探技术应用，因此，主要还是分为工业电子内窥镜和医疗电子内窥镜。在内窥镜机械结构和工作原理上基本没有大多的差别。

医用内窥镜是直接用来观察人体内脏器官的组织形态，提高诊断的准确性。随着科学技术的发展，各种先进的科学技术都在向医学渗透，微电子学、计算机技术、超声技术、自动化技术使得医用内窥镜得到发展，各种各样的内窥镜相继产生，其功能不断扩展，成为集检查、诊断、治疗、手术为一体的系列产品。

目前发达国家均在大力开展内窥镜的应用开发工作，国际市场上知名的品牌有日本欧林巴斯(Olympus)，美国雅伦(Welch Allyn)，德国Karl storzhe Richard Wolf 和英国Ultralfine等。我国的内窥镜技术发展的较晚，总体技术水平与世界水平相差近15年。国内主要生产厂家有上海医用光学仪器厂、上海医用诊察仪器厂、上海医疗器械五厂、沈大内窥镜有限公司。

系统构成整套电子内窥镜系统主要由内镜(endoscopy) 、电视信息系统中心(video information system center) 和电视监视器(television monitor) 三个主要部分组成。另外，CCD耦合腔镜、腔内冷光照明系统（目前为LED光源）、视频处理系统、和显示打印系统是电子内窥镜的主要结构的组成部分。电子内镜的构成还配备一些辅助装置，如录像机、照相机、吸引器以及用来输入各种信息的键盘和诊断治疗所用的各种处置器具等。电子内窥镜在国内大中型医院内镜室的诊断和治疗活动中起着十分重要的作用。具有分辨率高、易于诊断、管径细、使用寿命长等优点。主要缺点是易损坏，一般用户不能修理，厂家维修费用高。

从详细部件构成上，电子内窥镜主要包括先端弯曲部、插入部、操作部、电气接头部。先端弯曲部是内窥镜的最前端，由送水/送气喷嘴、导光束、物镜、钳子管道出口、弯曲橡皮等组成。插入部外面是带刻度的外皮，内部包裹着导光束、导像束、送水/送气管、钳子管道和鼓轮钢丝。操作部是医生检查、治疗时手持操作的部分，主要包括角度控制转子、卡锁、功能按钮、吸引活塞、送水/送气活塞、钳子管道入口等。电气接头部是电子内窥镜连接冷光源和图像处理系统的部件，由电气接头、导光接头、送水/送气接头、吸引接头组成。而在诊治活动中动作最频繁的部位: 一是操作部，包括有送气/送水按钮、吸引按钮、活捡通道、角度钮等。二是镜身，镜身为一根易弯曲的插入管，由钢丝网管及蛇型钢管制成，在小于1cm的管径内容纳有导向束、导光束、活检/吸引通道、注气/注水管道及控制角度的钢丝等。外包有聚胺酯塑料管， 此管具有密封和防腐蚀作用， 以防止水和胃液的进入和腐蚀。这两个频繁工作的部件一旦损坏，必须请专业人员用专用工具和专用配件才能进行修复，造价高，时间长。因此，正确地操作和精心的维护保养，对防止和减少电子内窥镜的故障发生，延长其使用寿命具有重要意义。

工作原理电子内窥镜的成像主要依赖于镜身前端装备的微型图像传感器(charge coupled device，CCD)，CCD就象是深入人体腔内的一台微型摄像机，它将光能转变为电能，再经过图像处理器“重建”高清晰度的、色彩逼真的图像显示在监视器屏幕上。

下面以医用电子内窥镜为例详细介绍下工作原理：

医用电子内窥镜成像系统主要包括四部分（图1）：1）光学成像系统，2）CCD驱动、图像采集、编码电路（驱动CCD、控制图像采集与编码），3）彩色图像畸变实时校正系统（用于实时在线校正内窥镜光学系统的畸变），4）视频驱动亮度控制系统（调节光源的发光亮度）。

图1：医用电子内窥镜成像系统构成

光源发出的光通过传光束（光纤）照射到人体内腔，从腔内反射的光进入光学系统，在高分辨率彩色面阵CCD上成像由CCD驱动电路控制CCD采集图像，经编码电路输出标准彩色视频信号。亮度控制系统根据CCD输出的视频信号调节光源的亮度，确保输出图像上没有白色高亮度区域。由于光学系统存在畸变，CCD输出带有畸变的视频信号，图像畸变校正系统对其进行在线实时校正，并输出校正后的标准彩色视频信号。

内窥镜采用电荷耦合器件CCD作为图像传感器。CCD图像传感器具有光电转换功能， 又具有信号电荷存储、转移和读出功能，其工作过程可分为四步:

第一步是光积分期，即曝光时间，这时CCD像元把入射光量子按比例地转换成光生电荷，完成光—电转换。

第二是在光积分的同时，把每个像元产生的光电荷暂时存储在相应的光敏二极管势阱中， 实现信号电荷存储。

第三是在曝光结束后，把存储的光生电荷沿CCD移位寄存器转移到输出区， 完成电荷转移。

第四是在读出放大器中把每个光生电荷依次转变成相应的视频信号，完成信号读出，因此CCD图像传感器可以看成一个光—电变换器，它能把一幅空间分布的光学图像变换成按时间顺序分布的视频电压信号。

当光学图像经过物镜成像在CCD传感器上时，在CCD器件上将感生与投射光强相对应的光电荷(光电效应)，这些光电荷将存储在二极管的势阱中，经过一定时间的积累，在驱动脉冲的作用下，各光敏元的电荷包同时并行地向移位寄存器各单元转移，在光敏元进行下一次光电荷积累的同时，在读出脉冲的作用下，寄存器内的电荷包开始沿移位寄存器向输出端转移，从而获得光电信号输出，由此输出的光电信号经过同步电路、同步叠加电路叠加、消除脉冲干扰、直流电平恢复与控制、线性放大、输出功率放大、二值化处理等电路处理，从而得到全电视信号输出。进一步的处理， 则是按使用场合和技术要求的不同而分别进行了。

故障及保养1、先端弯曲部常见故障解析及防范措施

（1）镜头盖玻璃划痕、破裂、缺口、被污物覆盖，会造成监视器图像显示模糊、有黑点，影响病症的检查和诊断。如出现划痕、破裂、缺口，则停止使用；如被污物覆盖，则用软纱布蘸清洁液擦拭干净后再使用。

（2）送水/送气喷嘴被粘液、异物堵塞，造成送水、送气不畅，影响镜子的使用。方法：在吸引时先保持送气状态，吸引后再次送水送气操作，确保管道内无残留液体和镜面的清洁。

（3）弯曲部表面覆着一层薄橡皮，有一定的弹性，确保弯曲角度的轻松操作。弯曲橡皮可能会出现褶皱、破损、针孔、重叠等故障，使镜子不能使用，还会造成镜子漏水，故平时应做好镜子的测漏，不能用力擦拭弯曲橡皮，使用水溶性润滑油擦拭可以避免弯曲橡皮提前出现老化膨胀。

2、插入部常见故障解析及防范措施

（1）插入管外皮出现发黄、老化、结晶等现象，引起的原因主要是在检查患者后没有及时擦拭掉镜子上的人体粘液、蛋白质，此类物质结晶后会使插入管发黄发硬。防范措施主要是检查完后及时清洁表面赃物，清洗时要先用酶液浸泡，然后用清水冲洗干净。

（2）插入管蛇管出现针孔、破损、折皱，此类现象引起的原因主要是插入管和锐物碰撞、清洗盘圈时角度过小、患者口垫脱落、镜体被患者咬伤、镜子安放时被夹等。防范措施主要是拿镜子、清洗时盘圈角度不要过小，提防与锐物碰撞、被夹、镜体被患者咬伤。

（3）插入管内部的导光束导光暗淡、发黄或不导光，导像束导像出现黑点，主要是由于插入管打折角度过大、挤压、碰撞、被夹、被患者咬伤等导致导光束、导像束光纤有一部分断裂。防范措施与（2）中相同。

（4）钳子管道也位于插入管内部，主要用于活检钳、异物钳等从中通过，其故障主要是钳子管道管壁有针孔、裂痕等破损，造成镜子内部漏水，从而引发镜子内部电气部分短路，严重时造成CCD烧毁。造成此类故障的原因主要是在弯曲角度过大时通附件，在钳子管道内释放针头、活检钳、异物钳。防范措施有：附件在先端弯曲部放松时通过钳道管；等到附件伸出钳道口后再释放针头；闭合活检钳后再插拔；使用没有问题的活检钳；使用前做好测漏工作。

3、操作部常见故障解析及防范措施

（1）操控按钮、角度旋钮漏水，可能造成操作部内部进水，电气短路。常见故障原因为操控按钮与锋利部件碰撞，或长久使用造成按钮橡皮老化。防范措施主要为小心轻放，使用前做好测漏工作。

（2）吸引口磨损，严重时将出现自动吸引，虽吸引量很小，但直接造成送气量不足，无法将胃完全撑满，一直保持长时间送气状态。错误的抽出附件的手法往往会导致吸引口磨损，加强使用者的规范操作可避免此故障的出现。

（3）角度钢丝断，主要是打角度时用力过大使得超过角度范围引起。规范的操作和使用可以避免该故障。打角度时动作要轻缓，一来不伤及病人，二来保护角度钢丝。

4、电气连接部常见故障解析及防范措施

（1）电气连接口腐蚀和生锈会造成图像闪烁、抖动等异常现象，严重的会使CCD 损坏。引起该故障的原因主要为：清洗消毒时电气连接部未盖防水帽，电气连接口在沾有水的情况下与图像处理中心相连。防范措施为：镜子在清洗消毒时要盖防水帽，之后一定要用干布擦拭镜身并用气枪吹干电气接口点。

（2）电气连接头与连接座在卡口未对准的情况下用力嵌入，造成电气连接头内的金属针头折断，引起图像异常或无图像显示。电气连接时按对应的位置卡牢接口以避免该故障。

发展趋势目前我国工业电子内窥镜发展方向主要倾向于高附加值、高质量、高技术含量等高端产品发展。工业电子内窥镜行业面临的问题原材料、利润、价格、成本等问题仍然存在，而且由于各企业的扩大生产可能进一步加剧，但无论怎样，工业电子内窥镜企业应该认识到问题的严重性，努力推进技术改革和进步，走环境友好型和技术进步型才是工业电子内窥镜企业可持续发展的必由之路。

对于医用电子内窥镜而言，首先,为了减轻病人的痛苦,医用内窥镜向小型化,微型化方向发展；其次,为了便于医生的手术操作西方发达国家已研制成功手术机器人系统，用它来完成内窥镜的操作甚至手术器械的操作。手术更安全、准确、便利,大大减轻医务人员的劳动力。另外,随着现代通信网络技术的发展,远程操作内窥镜手术已成功实现,为有经验医务人员的缺乏起一定的弥补作用,经验丰富的外科医生可以借助远程操作,指导不便到达的急诊手术。总之,医用内窥镜的发展为人们揭示了人体的奥秘,使多种疑难病症得到诊断和治疗。